DE1954724A1

DE1954724A1 - Speicherheizkoerper und Verfahren zur Herstellung eines Waermespeicherkernes fuer einen solchen Heizkoerper

Info

Publication number: DE1954724A1
Application number: DE19691954724
Authority: DE
Inventors: Randell John Edward; Eeles Wilfred Trefor
Original assignee: Electricity Council
Current assignee: Electricity Council
Priority date: 1968-10-30
Filing date: 1969-10-30
Publication date: 1970-11-26
Also published as: DE1954724B2; FR2021918A1; GB1262465A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. F. "Weickmann, 1954724

Dipl.-Ing. H. WeιckmanN, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN «6, DEN

POSTPACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 48 39 21/22

THE ELECTRICITY COUNCIL

30, MiHbank, London, S.W.1, England

Speicherheizkörper und Verfahren zur Herstellung eines Wärmespeicherkernes für einen solchen Heizkörper

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Speicherheizkörper und auf Wärmespeicherkerne für solche Heizkörper.

Bisher ist für Wärmespeicherkerne in elektrischen Speicherheizkörpern eine Anzahl von hitzebeständigen Materialien verwendet worden. Hitzebeständige Materialien besitzen normalerweise eine geringe Dichte, wodurch die Wärmespeicherkapazität pro Volumeneinheit relativ niedrig ist. In der Vergangenheit ist deshalb häufig Gußeisen oder Gußstahl für Wärmespeicherzwecke verwendet worden, um eine höhere Wärmespeicherkapazität pro Volumeneinheit zu erzielen. Von Nachteil bei diesen Materialien ist jedoch, daß sie der Oxydation ausgesetzt sind und daß insbesondere die Grenze der maximalen Temperatur, bis zu der sie verwendet werden können, bei etwa 760° liegt. Dies ergibt sich

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daraus, daß bei dieser Temperatur J-efü^eumv.'andlungen auftreten und insbesondere die magnetische Änderung erfolgt. Die maximal mögliche Temperatur, bei der Eisen noch v/irksam für Wärmespeicher-Heizkörper verwendet werden kann, ist daher wesentlich niedriger als jene Temperatur, bei der hitzebeständige Materialien verwendet v/erden können, und zwar trotz der Eigenschaft, daß die v/ärmespexcherkapazität pro Volumeneinheit bei Eisen wesentlich größer ist. Obwohl die Oxydation und das Problem der austenitischen Umwandlung; durch geeignetes Legieren des Gußeisens oder Stahles überwunden werden kann, führt dies zu einer recht beachtlichen Steigerung der Materialkosten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Weg zu zeigen, wie ein elektrischer Speicherheizkörper aufzubauen ist, der unter Vermeidung der vorstehend aufgezeigten Nachteile noch bei höheren Temperaturen als den erwähnten Temperaturen verwendet werden kann.

Gelöst v.'ird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe mit einem Speicherheizkörper, der erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß er wenigstens ein elektrisches Heizelement in einem Kern aus einem V/ärmes peichermat erial aufweist, welches aus Eisenoxydblöcken gebildet ist. Das Material ist ausgezeichnet kompakt und besitzt eine höhere Wärmekapazität pro Volumeneinheit als 0,85 Kalorien cmV⁰C.

Im Zusammenhang mit der Erfindung hat sich gezeigt, daß Eisenoxyd in einer hohen Dichteform hergestellt werden kann und dabei eine Wärmespeicherkapazität pro Volumeneinheit besitzt, die mit der von Eisen vergleichbar ist. Dieses Material ist hitzebeständig und bis zu Temperaturen von zumindest 1200⁰C verwendbar. Außerdem ist dieses Material leichter als Gußeisen bei gegebenem Volumen.

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Die Blöcke können aus fein zerteiltem Eisenoxyd hergestellt •.-.erden, indem die Pulverpartikel zusammengesintert werden. Wird synthetisches Eisenoxyd verwendet, so kann der Kern eine derart hohe Dichte besitzen, die innerhalb einiger weniger Prozent von Einkristall-Fe₂O, liegt. Ein derartiges Material besitzt eine Wärmekapazität pro Volumeneinheit, die sehr nahe bei der von Ein-Jiristall-FepO;* liegt. Werden natürliche Erze verwendet, so sind die Dichte und die Wärmekapazität pro Volumeneinheit etwas niedriger, jedoch noch höher als bei den üblicherweise in elektrischen Speicherheizkörpern verwendeten hitzebeständigen Materialien. Die Wärmekapazität pro Volumeneinheit ist mit der von Eisen vergleichbar.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmespeicherkernes für einen elektrischen Speicherheizkörper. Dieses Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß fein zerteiltes Eisenoxyd zusammengepreßt und dann an Luft bei einer Temperatur über 1000°C gesintert wird. Das Eisenoxyd ist vorzugsweise Eisen-III-Oxyd. Es können je-Jo I- euch andere Oxyde verwendet werden, wie z.B. Magnetiterze, die durch den Sinterungsprozess zu Eisen-III-Oxyd oxydiert werden.

Ub Ii eher*· ei se wird ein wasserhaltiges Eisen-III-Oxyd verwendet, und zvfar entweder in der natürlichen Ausgangsform oder in abgeleiteter Form durch Beizen von Alteisen. Dieses Material wird vorzugsweise bis zu einer Temperatur von über 10O⁰C erwärmt. In typischer Weise erfolgt die Erwärmung auf eine Temperatur von 150 C. Sodann wird aas Material in eine Form unter einem mittleren Druck eingepreßt, der über 250 at (entsprechend 4000 psi) liegt. In typischer Weise beträgt der Druck 350 at (entsprechend 5000 psi). Mit einem solchen Druck wird ein kompakter Block für die Sinterung gebildet. Die Sinterung wird in typischer Weise bei einer Temperatur in Größenordnung von 1150° bis 135O⁰C ausgeführt.

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BAD ORIGINAL

Ist das fein zerteilte synthetische Eisen-lII-Oxyd gebrannt, so läßt sich das Material einfach in eine Preßform von gewünschter Form ohne irgendeine Vorwärmung; pressen, und zwar zur Bildung eines Blockes zur Sinterung in einem Schachtofen. Bei Verwendung weniger reiner Materialien, v.ie natürlichen Hämatiterzen, kann ein entsprechender Vorgang durchgeführt werden, obwohl zufolge des Vorhandenseins von Verunreinigungen und der Einteilungskörnung die schließlich erzielte Dichte etwas niedriger ist als sie bei Verwendung der synthetischen Oxyde' möglich ist. Anstelle von Hämatit erz können Magnetiterze ohne eine weitere Behandlung verwendet werden, da das Magnetit bei dem Sinterungsvorgang bei Temperaturen zu Eisen-III-Oxyd oxydiert wird, die noch gut unterhalb der Temperaturen liegen, bei der die Sinterung erfolgt.

Aus den grob unterteilten, relativ unreinen Naturerzen kann ein Material hoher Dichte hergestellt werden, indem die betreffenden Erze geschmolzen und das geschmolzene Material dann in Platten oder andere geeignete Formen gegossen wird. Sofern erwünscht, kann das geschmolzene Erz gereinigt v/erden, indem herkömmliche Schlacken-Abführverfahren vor dem Vergießen des Erzes angewandt werden.

Gemäß einem anderen Verfahren zur Herstellung von Warmespeicherblccken unter Verwendung von Ei seö-III-Oxyd wird in das Eisen-III-Oxyd-Pulver ein geringer Anteil eines kaltabbindenden Materials eingeführt, wie Sulfitlauge, und-dann wird die betreffende Mischung in eine Preßform zu der gewünschten Dichte zusammengepreßt.

An Hand einer Reihe von Beispielen wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.

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BAD ORIGINAL

Beispiel 1

Gebranntes niedergeschlagenes ϊθρΟ^ in fein zerteilter Form, das durch Beizen von Alteisen gewonnen wurde, wurde einem

2
Druck von zwei Tonnen pro 6,5 cm ausgesetzt und dann auf eine Temperatur von 1150⁰G erhitzt. Das dadurch erzielte Sinterstück besaß einen Reinheitsgrad von 99>9# Fe-O^.. Die Dichte betrug 4,9 bis 5,0 Gramm pro cm^, und die Wärmekapazität pro Volumeneinheit betrug 1,1 Kalorien cm /⁰C. Die Wärmeleitfähigkeit betrug 5,0 Watt/Meter/°G.

Das Material wurde bei seinem Zusammendrücken vor der Erhitzung zu Blöcken von gewünschter Form und Größe gebildet. Diese Blöcke besaßen eine solche Form und Größe, daß sie unmittelbar in einen elektrischen Speicherheizkörper eingesetzt werden konnten, bei dem elektrische Widerstands-Heizelemente zwischen den Blöcken vorgesehen sind. Die für den erläuterten Zweck bewirkte Verdichtung wurde in einer geeignet geformten Druckform ausgeführt, um die gewünschte Blockform zu erhalten.

Beispiel 2

Ein natürlich vorkommendes Hämatiteisenerz wurde zwischen

2 Druckstempeln mit einem Druck von drei Tonnen pro 6,5 cm verdichtet. Auf diese Weise wurden Blöcke solcher Größe und Form hergestellt, die sich für eine direkte Einführung in einen elektrischen Speicherheizkörper eigneten. Diese Blöcke wurden auf eine Temperatur von 134O⁰C erhitzt, bei der das Material sinterte. Das Endprodukt besaß 90$ Je^O-z und eine Dichte von 4,0 bis 4,2 Gramm pro cm*. Die Wärmekapazität pro Volumeneinheit betrug 0,92 Kalorien cnr/ C, und die Wärmeleitfähigkeit betrug 4,5 Watt/Meter/°C.

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Beispiel 3

Ein hochwertiges Hagnetiteisenerz in fein zerteilter Form wurde unter einem Druck von fünf Tonnen pro 6,5 "ni~ zu Blöcken verdichtet. Diese Blöcke besaßen eine solche Größe und Form, daß sie in "./armes peicherheizkörper eingesetzt werden konnten. Diese Blöcke wurden auf eine Temperatur von 1500 C erhitzt. Das erzielte gesinterte Produkt besaß 93p FepO-.. Die Magnetiterze wurden zu Fe^O^ oxydiert, während_dessen die Temperatur auf die Sinterungstemperatur erhöht wurde. Eine derartige Oxydation tritt bei einer Erwärmung auf 500 bis 900⁰G auf. Dabei war es nicht erforderlich, noch weitere Schritte zur Oxydation des Materials anzuwenden. Die gesinterten Blöcke besaßen eine ^ichte von 4,0 Gramm pro cm , eine Wärmekapazität

3 ο

pro Volumeneinheit von 0,8S Kalorien cm / C und eine Wärmeleitfähigkeit von 4,3 Watt/Meter/°C.

Beispiel 4

Ein natürlich vorkommendes schwedisches Magnetiterz wurde

unter einem Druck von drei Tonnen pro 6,5 cm zu Blöcken geeigneter Form und Größe in einer Preßform verdichtet. Die Blöcke besaßen eine solche Form und Größe, daß sie als Speicherblöcke in einem elektrischen Speicherheizkorper verwendet werden konnten. Diese Blöcke wurden auf eine Temperatur von 1340°C erhitzt. Das erzielte Material zeigte bei einer Analyse 90# Fe₀O_x. Die Dichte betrug 3,74- Gramm pro cm , die Wärmekapazität pro Volumen

3 ο
einheit betrug 0,82 Kalorien cmV G, und die Wärmeleitfähigkeit betrug 4,3 Watt/Meter/°G.

In jedem der oben betrachteten Beispiele wurde das pulverförmige Material zuerst -verdichtet und dann gesintert. Obwohl es nicht notwendig ist, ergibt sich vor der Sinterung eine einfachere Bearbeitung der Blöcke, indem ein kalt aushärtendes Bindemittel, wie SuIfitlaugej in den Blöcken eingeschlossen wird. Die erwähnte Sulfitlauge ist in einer Anzahl von nam ,haften Zusammensetzungen-.

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BAD ORIQINAt

erhältlich,-Die Verbindung zwischen den in fein zerteilter Form vorliegenden Partikeln in dem gesinterten Block ist jedoch der Hikro. struktur des Materials eigen; die Verbindung

trinkt dabei nicht von der Bindewirkung des hinzugesetzten Klebmittels ab. Die im wesentlichen homogene feste Beschaffenheit des gebrannten Erzeugnisses in allen Fällen führt jeweils zu einem Material hoher Dichte. Sisen-IH-Oxyd besitzt eine hohe spezifische Eigenwärme im Vei\~leich zu hitzebeständigen Materialien, wie sie bisher für Wärmespeicherkerne verwendet wurden. Damit besitzen die aus diesem Material hergestellten Blöcke eine hohe Wärmekapazität pro Volumeneinlieit. Durch die Verdichtung und Sinterung wird das Material durchgehend fest geformt, so daß es, wie aus den oben aufgeführten Zahlen hervorgeht, eine verhältnismäßig hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Diese Wärmeleitfähigkeit ist von solcher Größe, daß sie einen gewissen Widerstand auf einen ".iännestoi: ausübt und die Wärmeübertragunjuvorgänge in dem Speicherelement unterstützt. Da das Material in einer oxydierenden At_moSphäre bei einer Temperatur über 1000°C gebrannt wird, ist es an der Luft bei allen Anwendungstemperaturen bis zu der ursprünglichen Brenntemperatur chemisch stabil.

Die in den obigen Beispielen angegebenen Zalilenv.erte hängen von der Eigenschaft des Rohmaterials und von den genauen Herstelleinzelheiten ab. Die betreffenden Zahlen sind jedoch typische Beispiele für die Eigenschaften des für die betreffenden Blöcke verwendeten Materials.

Werden natürlich vorkommende Erze verwendet, so kann das Material grobkörnig und. relativ unrein sein. In diesem Fall kann ein Material hoher Dichte dadurch erzielt v;erden, daß das Erz geschmolzen und daß dann das Oxydmaterial zu Platten oder zu anderen geeigneten Formen gegossen wird, um als Kern eines elektrischen Speicherheizkörpers verwendet zu werden. Sofern erwünscht, kann das geschmolzene Erz durch Anwendung herköramlicner Schlackenabfuhrverfahren vor dem Vergießen gereinigt werden.

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Claims

— ο —

Patentansprüche

[1.!Elektrischer Speicherheizkörper, dadurch gekennzeichnet, ^-^daß er wenigstens ein elektrisches Heizelement in einem Kern aus einem Wärmespeichermaterial enthält, der aus Eisen-III-Oxyd-Blöcken gebildet ist.
2. Elektrischer Speicherheizkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blöcke aus fein zerteiltem Eisen-III-Oxyd gebildet sind, wobei die Eisen-III-Oxyd-Partikel zusammengesintert sind.
3. Elektrischer Speicherheizkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Eisen-III-Oxyd derart verdichtet ist, daß es eine Wärmekapazität pro Volumen besitzt, die größer als 0,85 Kalorien cnr/°C ist.
4. Verfahren zur Herstellung eines Wärmespeicherkernes für einen elektrischen Speicherheizkörper nach einem der Ansprüche bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß fein zerteiltes Eisenoxyd verdichtet und dann an Luft bei einer Temperatur über 1000°C gesintert wird.
5· Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Eisenoxyd Eisen-III-Oxyd verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines wässrigen Eisenoxydes dieses in einer Preßform mit einem Druck oberhalb von etwa 280 at verdichtet wird und daß das Eisenoxyd vor der Verdichtung auf eine Temperatur oberhalb von 10O⁰C erwärmt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterung bei einer Temperatur zwischen 115O⁰C und 135O°C ausgeführt wird.

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